DE102020127172A1 - Electric disc motor for driving a rim - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Scheibenmotor vorgestellt. Er weist einen Stator und einen Rotor auf. Elektromagnete des Stators sind gekrümmt ausgeführt und wirken gleichzeitig auf zwei Permanentmagnete des Rotors, die in einem Winkel zueinander stehen. Der Rotor weist eine Rotorscheibe auf, die eine Mehrzahl von Permanentmagneten aufweist. Außerdem weist die Innenseite eines Rohrabschnittes an der Peripherie der Rotorscheibe zusätzlich eine Mehrzahl von Permanentmagneten auf. Durch die Grundform lassen sich Scheibenmotoren mit innen liegenden Rotoren und außen liegenden Rotoren herstellen. A disc motor is presented. It has a stator and a rotor. Electromagnets of the stator are curved and act simultaneously on two permanent magnets of the rotor, which are at an angle to each other. The rotor has a rotor disc that has a plurality of permanent magnets. In addition, the inside of a tube section on the periphery of the rotor disk also has a plurality of permanent magnets. Due to the basic shape, disc motors can be manufactured with rotors on the inside and rotors on the outside.
Description
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Scheibenmotor, der sich für einen Betrieb direkt in einer Felge eines Fahrzeugs eignet.The invention relates to an electric disk motor suitable for operation directly in a rim of a vehicle.
Die zunehmende E-Mobilität der Gesellschaft auf der Basis von elektrisch betriebenen Fahrzeugen - beispielsweise im Automobilbau, Motorradbau, E-Bikes, E-Roller etc. - nimmt kontinuierlich zu. Damit nehmen auch die Anforderungen an die elektrischen Antriebe zu. Bisher setzt man überwiegend auf zentrale Elektroantriebe, die über ein Getriebe auf eine oder mehrere Achsen wirken. Diese Antriebsstränge sind klassischen verbrennungsmotorbasierten Antriebskonzepten nachempfunden. Sie bieten aber nicht immer ein optimales Gewicht-/Leistungsverhältnis. Elektromotore, welche direkt an oder in einzelne angetriebene Räder integriert sind, bilden bisher die Ausnahme. Dies liegt unter anderem auch an der bisherigen Bauweise und der begrenzten Effizienz der eingesetzten Konstruktionen.The increasing e-mobility of society on the basis of electrically operated vehicles - for example in automobile construction, motorcycle construction, e-bikes, e-scooters etc. - is constantly increasing. As a result, the demands on the electric drives are also increasing. So far, the focus has been on central electric drives that act on one or more axles via a gearbox. These powertrains are based on classic combustion engine-based drive concepts. However, they do not always offer an optimal weight/performance ratio. Electric motors that are integrated directly on or in individual driven wheels have so far been the exception. This is partly due to the previous design and the limited efficiency of the constructions used.
Beispielsweise beschreibt das Dokument
Es besteht daher ein Bedarf für einen kompakten Scheibenmotor, welcher ein höheres Drehmoment als traditionelle Scheibenläufermotoren entwickeln kann.There is therefore a need for a compact disc motor that can develop higher torque than traditional disc motors.
Dieser Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Scheibenmotor vorzustellen, der sowohl die Anforderungen in Bezug auf Kompaktheit sowie ein hohes Drehmoment erfüllt.This invention is therefore based on the object of presenting a disc motor that meets both the requirements in terms of compactness and high torque.
Kurzbeschreibung der ErfindungBrief description of the invention
Die oben genannte Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind durch die abhängigen Ansprüche beschrieben.The above object is solved by the subject matter of the independent patent claims. Advantageous embodiments of the present invention are described by the dependent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein elektrischer Scheibenmotor vorgestellt, der zum Betrieb in einer Felge eines Fahrzeugs geeignet ist.According to a first aspect, an electric disc motor suitable for operation in a rim of a vehicle is presented.
Der elektrische Scheibenmotor weist einen ersten Rotor und einen ersten Statorring auf. Der erste Rotor weist einen Rotorring auf, der wiederum eine erste ringförmige Oberfläche und eine parallel gegenüberliegende zweite ringförmige Oberfläche aufweist, die sich jeweils senkrecht zu einer gedachten Drehachse, die durch einen Mittelpunkt des Rotorringes verläuft, erstrecken.The electric disk motor has a first rotor and a first stator ring. The first rotor has a rotor ring, which in turn has a first annular surface and a parallel opposite second annular surface, each of which extends perpendicularly to an imaginary axis of rotation which runs through a center point of the rotor ring.
Der Rotorring weist auch eine erste Mehrzahl von regelmäßig auf einer Kreisbahn in entsprechenden Kreissegmenten_angeordneten Permanentmagnete auf, die sich durch den Rotorring von der ersten Oberfläche in Richtung zur zweiten Oberfläche erstrecken. Dabei verläuft eine Nord-Süd-Ausrichtung der Permanentmagnete der ersten Mehrzahl jeweils parallel zur gedachten Drehachse und jeweils benachbarte Permanentmagnete weisen um 180° zueinander gedrehte Nord-Süd-Ausrichtungen auf.The rotor ring also has a first plurality of permanent magnets regularly arranged in a circular path in respective segments of a circle, which extend through the rotor ring from the first surface towards the second surface. In this case, a north-south alignment of the permanent magnets of the first plurality runs parallel to the imaginary axis of rotation and respectively adjacent permanent magnets have north-south alignments rotated by 180° with respect to one another.
Der Rotorring weist weiterhin einen ersten Rohrabschnitt auf, der sich von einer äußeren Peripherie des Rotorringes konzentrisch zur gedachten Drehachse von der ersten ringförmigen Oberfläche weg erstreckt. Dabei weist der erste Rohrabschnitt eine zweite Mehrzahl von regelmäßig auf einer Innenseite des ersten Rohrabschnittes angeordneten Permanentmagneten auf, wobei die erste Mehrzahl zahlenmäßig gleich der zweiten Mehrzahl ist. Eine Nord-Süd-Ausrichtung der Permanentmagnete der zweiten Mehrzahl verläuft jeweils senkrecht zur gedachten Drehachse und benachbarte Permanentmagnete der zweiten Mehrzahl weisen jeweils um 180° zueinander gedrehte Nord-Süd-Ausrichtungen auf. Jeweils unterschiedliche Pole der entsprechenden Permanentmagnete der ersten Mehrzahl und der zweiten Mehrzahl im jeweiligen Kreissegment liegen in einem vordefinierten Winkel zueinander. Der Winkel kann 90° oder mehr betragen, z.B. bis ca. 135°.The rotor ring further includes a first tubular portion extending from an outer periphery of the rotor ring concentrically with the imaginary axis of rotation away from the first annular surface. In this case, the first pipe section has a second plurality of permanent magnets arranged regularly on an inner side of the first pipe section, the first plurality being numerically the same as the second plurality. A north-south orientation of the permanent magnets of the second plurality runs perpendicular to the imaginary axis of rotation, and adjacent permanent magnets of the second plurality each have north-south orientations rotated by 180° with respect to one another. In each case different poles of the corresponding permanent magnets of the first plurality and the second plurality in the respective circular segment are at a predefined angle to one another. The angle can be 90° or more, e.g. up to about 135°.
Der elektrische Scheibenmotor weist weiterhin einen ersten Statorring auf, der eine erste ringförmige Oberfläche und eine parallel gegenüberliegende zweite ringförmige Oberfläche aufweist, die sich jeweils senkrecht zu der gedachten Drehachse, die durch einen Mittelpunkt des ersten Statorringes und des Rotors verläuft, erstreckt. Dabei sind die gedachten Drehachsen des ersten Statorringes und diejenige des Rotors identisch.The disc electric motor further includes a first stator ring having a first annular surface and a parallel opposing second annular surface each extending perpendicular to an imaginary axis of rotation passing through a center point of the first stator ring and the rotor. The imaginary axes of rotation of the first stator ring and those of the rotor are identical.
Der Statorring weist weiterhin eine dritte Mehrzahl von Elektromagneten innerhalb des ersten Statorringes auf, wobei die dritte Mehrzahl zahlenmäßig kleiner als die erste Mehrzahl ist. Die Elektromagnete weisen einen gekrümmten Kern - beispielsweise um 90° oder mehr gekrümmt - auf. Normalvektoren auf den Polen können einen Winkel zueinander aufweisen, der dem vordefinierten Winkel entspricht.The stator ring further includes a third plurality of electromagnets within the first stator ring, the third plurality being fewer in number than the first plurality. The electromagnets have a curved core, for example curved by 90° or more. Normal vectors on the poles can have an angle to each other that corresponds to the predefined angle.
Ein Pol eines der jeweiligen Elektromagnete weist in Richtung einer äußeren umlaufenden Peripherie des ersten Statorringes, und ein entsprechend anderer Pol des jeweiligen Elektromagnetes ist in Richtung der ersten Oberfläche des ersten Statorringes gerichtet.One pole of one of the respective electromagnets points toward an outer peripheral periphery of the first stator ring and a corresponding other pole of the respective electromagnet points toward the first surface of the first stator ring.
In dem elektrischen Scheibenmotor befindet sich zwischen den zur Peripherie des Statorringes weisenden jeweiligen Polen der Elektromagnete und der zweiten Mehrzahl der Permanentmagnete auf einer Innenseite des ersten Rohrabschnittes des Rotors ein erster Spalt. Außerdem befindet sich zwischen den in Richtung der ersten Oberfläche weisenden Polen der Elektromagnete und der ersten Mehrzahl von Permanentmagneten, die einer Ebene der entsprechenden Pole der Elektromagnete gegenüberliegt, ein zweiter Spalt. Damit kann der Rotor frei gegenüber dem Statorring drehbar - zum Beispiel auf einer Achse - sein. Dies ist auch elegant möglich, weil sich die vertikalen und horizontalen Magnetströme den Rotor zentrieren und stabilisieren. Ein ruhiger und stabiler Lauf ist die Folge.In the disc electric motor, there is a first gap between the respective poles of the electromagnets pointing to the periphery of the stator ring and the second plurality of permanent magnets on an inner side of the first tube section of the rotor. In addition, there is a second gap between the poles of the electromagnets pointing towards the first surface and the first plurality of permanent magnets which is opposed to a plane of the corresponding poles of the electromagnets. Thus, the rotor can rotate freely in relation to the stator ring - for example on one axis. This is also elegantly possible because the vertical and horizontal magnetic currents center and stabilize the rotor. The result is a smooth and stable run.
Der vorgestellte Scheibenmotor weist eine Reihe von technischen Effekten und Vorteilen und Verbesserungen auf: Gegenüber traditionellen Scheibenläufermotoren, die in der Regel horizontal ausgerichtete Elektromagnete im Stator aufweisen, kann durch das hier vorgestellte Konzept der gekrümmten Kerne und Wicklungen der Elektromagnete des Stators der Wirkungsgrad des hier vorgestellten Scheibenmotors signifikant erhöht werden. Dies liegt daran, dass, obwohl nur ein Stator und ein Rotorelement verwendet werden, ein Elektromagnet des Stators gleichzeitig auf zwei Permanentmagnete des Rotors, die in einem Winkel zueinander angeordnet sind, wirken kann. Prinzipiell lässt sich damit eine doppelte Leistungsdichte, d.h. ein doppelt so hohes Drehmoment im Vergleich zu gleich großen und ansonsten vergleichbaren Scheibenläufermotoren erreichen. Damit verbessert sich auch das Verhältnis der Kosten der Herstellung im Vergleich zum erzielten Drehmoment.The disc motor presented has a number of technical effects and advantages and improvements: Compared to traditional disc motors, which usually have horizontally aligned electromagnets in the stator, the concept presented here of the curved cores and windings of the electromagnets of the stator can increase the efficiency of the Disc motor can be increased significantly. This is because, even though only one stator and one rotor element are used, an electromagnet of the stator can simultaneously act on two permanent magnets of the rotor that are arranged at an angle to each other. In principle, it is possible to achieve twice the power density, i.e. twice the torque, compared to disc motors of the same size and otherwise comparable. This also improves the ratio of manufacturing costs to the torque achieved.
Gemäß einem anderen Aspekt können im Vergleich zu herkömmlichen Scheibenläufermotoren einfachere Permanentmagnete verwendet werden, die ggfs. auch ohne teure Seltene Erden auskommen, aber auch nur eine geringe Magnetisierung aufweisen. Dies liegt daran, dass gegenüber herkömmlichen Konzepten die doppelte Anzahl von Magneten vorhanden ist und die Elektromagnete sowohl über ihren jeweiligen Nordpol auch über ihren jeweiligen Südpol gleichzeitig Drehmoment erzeugen können. Die kann die Wirtschaftlichkeit des vorgestellten Scheibenmotors signifikant beeinflussen.According to another aspect, simpler permanent magnets can be used in comparison to conventional pancake motors, which may also do without expensive rare earths, but also only have a low magnetization. This is due to the fact that, compared to conventional concepts, there is twice the number of magnets and the electromagnets can simultaneously generate torque both via their respective north pole and via their respective south pole. This can have a significant impact on the economy of the disc motor presented.
Durch die Basis der vorgeschlagenen Konstruktion ergeben sich auch weitere Vorteile wie beispielsweise eine effiziente Kühlung durch die Luftschaufeln auf Innenseiten des Rotors - insbesondere auf der ersten Oberfläche der Rotorscheibe und der Innenseite des Rohrabschnittes der sich von der Rotorscheibe weg und über den Stator erstreckt.The basis of the proposed design also provides other advantages such as efficient cooling by the air vanes on the insides of the rotor - particularly on the first surface of the rotor disk and the inside of the tube section extending away from the rotor disk and over the stator.
Im Gegensatz zu üblichen Scheibenläufermotoren zeichnet sich das hier vorgestellte Konzept durch sein verbessertes Anlaufverhalten aus. Die zusätzliche Ausrichtung der vertikalen Magnete erleichtert den Anlauf, da sie in Drehrichtung ausgerichtet sind. Herkömmliche Scheibenläufermotoren werden deshalb für eine gute Steuerung mit HallSensoren ausgestattet, was hier entfallen kann. Hallsensoren haben eine begrenzte Lebensdauer und können temperaturempfindlich sein. Dieses Problem wird sicher umgangen.In contrast to conventional pancake motors, the concept presented here is characterized by its improved starting behavior. The additional orientation of the vertical magnets makes starting easier as they are aligned in the direction of rotation. Conventional pancake motors are therefore equipped with Hall sensors for good control, which can be omitted here. Hall sensors have a limited lifetime and can be sensitive to temperature. This problem is safely circumvented.
Die zusätzliche Magnetausrichtung verbessert auch ein mögliches Rekuperationsverhalten, falls der Scheibenmotor bei Bremsvorgängen als Generator eingesetzt wird. Außerdem können durch die vorgestellte Konstruktion herkömmliche Fahrzeuge mit dem hier vorgestellten Konzept nachgerüstet werden, falls auch eine entsprechende Felge genutzt wird. Auf diese Weise ließen sich normale Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor zu Hybridfahrzeugen umrüsten.The additional magnet alignment also improves possible recuperation behavior if the disk motor is used as a generator during braking processes. In addition, conventional vehicles can be retrofitted with the concept presented here with the presented construction, if a corresponding rim is also used. In this way, normal vehicles with internal combustion engines could be converted into hybrid vehicles.
Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele des elektrischen Scheibenmotors beschrieben:Further exemplary embodiments of the electric disc motor are described below:
Gemäß einem weiterentwickelten Ausführungsbeispiel kann der elektrische Scheibenmotor auch einen Abstandsrohrabschnitt aufweisen, der sich zwischen den Elektromagneten und einem Innendurchmesser des ersten Statorringes konzentrisch weg von der ersten Oberfläche des Statorringes erstreckt. Außerdem kann ein zweiter Statorring, der parallel zum ersten Statorring konzentrisch an dem Abstandsrohrabschnitt befestigt ist, vorhanden sein. Dabei kann der zweite Statorring einen Aufbau entsprechend dem ersten Statorring aufweisen, und die erste Oberfläche des ersten Statorringes kann der ersten Oberfläche des zweiten Statorringes gegenüberliegen. Dabei kann der Rotorring zwischen den beiden ersten Oberflächen liegen. Der zweite Statorring wäre also spiegelbildlich zu dem ersten angeordnet.According to a more advanced embodiment, the disc electric motor may also include a spacer tube portion extending between the electromagnet and an inner diameter of the first stator ring concentrically away from the first surface of the stator ring. There may also be a second stator ring concentrically attached to the spacer tube section parallel to the first stator ring. In this case, the second stator ring may have a structure corresponding to the first stator ring, and the first surface of the first stator ring may be opposite to the first surface of the second stator ring. The rotor ring can lie between the two first surfaces. The second stator ring would therefore be a mirror image of the first.
Weiterhin kann ein zweiter Rohrabschnitt, der sich konzentrisch und symmetrisch zum ersten Rohrabschnitt von der zweiten Oberfläche des Rotors erstreckt und entsprechende Permanentmagnete aufweist, vorhanden sein. Dabei können sich Polausrichtungen der Permanentmagnete auf der Innenseite des ersten Rohrabschnittes und der Innenseite des zweiten Rohrabschnittes im gleichen Kreissegment jeweils abwechseln, d.h. N-S-N-S-N-S-....Furthermore, there can be a second tube section which extends concentrically and symmetrically to the first tube section from the second surface of the rotor and has corresponding permanent magnets. The pole orientations of the permanent magnets on the inside of the first pipe section and the inside of the second pipe section can be the same Alternate circle segments, ie NSNSNS-....
Zusätzlich kann zwischen den zur Peripherie des zweiten Statorringes weisenden jeweiligen Polen der Elektromagnete und der Mehrzahl der Permanentmagnete auf der Innenseite des zweiten Rohrabschnittes des Rotors ein dritter Spalt vorhanden sein. Außerdem kann zwischen den in Richtung der ersten Oberfläche weisenden Polen der Elektromagnete des zweiten Statorringes und der ersten Mehrzahl von Permanentmagneten, die einer Ebene der Pole der Elektromagnete des zweiten Statorringes gegenüberliegt, ein vierter Spalt vorhanden sein, sodass der Rotor frei gegenüber den Statorringen drehbar ist.In addition, there may be a third gap between the respective poles of the electromagnets pointing to the periphery of the second stator ring and the plurality of permanent magnets on the inside of the second tubular section of the rotor. In addition, a fourth gap may exist between the first surface-facing poles of the electromagnets of the second stator ring and the first plurality of permanent magnets that is opposed to a plane of the poles of the electromagnets of the second stator ring such that the rotor is free to rotate with respect to the stator rings .
In diesem Ausführungsbeispiel kann sich der Rotor, der eigentlich aus einer linken und einer rechten Hälfte, die aber fest miteinander verbunden sind, zwischen den beiden Statorelementen, die durch den Abstandsrohrabschnitt voneinander beabstandet sind, drehen (innen laufender Rotor).In this embodiment, the rotor, which actually consists of left and right halves but which are firmly connected to one another, can rotate between the two stator elements which are spaced apart by the spacer tube section (internal rotor).
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des elektrischen Scheibenmotors weist dieser ein erstes Drehlager auf einer Außenseite des Abstandsrohrabschnittes zur Aufnahme einer Innenseite der zur Drehachse weisenden Seite des Rotors auf. An dieser Stelle kann beispielsweise auf dem Abstandsrohrabschnitt ein Rollenlager - oder ein oder mehrere Kugellager - vorgesehen sein, sodass der Rotor drehbar am Abstandsrohrabschnitt gelagert ist.According to a further exemplary embodiment of the electric disk motor, it has a first pivot bearing on an outside of the spacer tube section for receiving an inside of the side of the rotor pointing towards the axis of rotation. At this point, for example, a roller bearing—or one or more ball bearings—can be provided on the spacer tube section, so that the rotor is rotatably mounted on the spacer tube section.
Gemäß einem alternativen weiterentwickelten Ausführungsbeispiel des elektrischen Scheibenmotors kann dieser zusätzlich einen zweiten Statorring aufweisen, der einen zum ersten Stator identischen Aufbau besitzt, wobei der erste und der zweite Statorring über ihre zweiten Oberflächen fest miteinander verbunden sind. Dabei kann ein Verbindungsring zwischen beiden vorhanden sein oder die beiden zweiten Oberflächen sind direkt miteinander verbunden. Außerdem könnten die beiden Statorringe auch über Stege miteinander verbunden sein, sodass Luft zwischen ihnen hindurchströmen kann, was gut für eine zusätzliche Wärmableitung wäre. Die beiden Statorringe sollten prinzipiell aber spiegelbildlich zueinander angeordnet sein, sodass die Kerne der Elektromagnete jeweils nach außen gerichtet in die jeweils ersten Oberflächen weisen.According to an alternative further developed exemplary embodiment of the electric disc motor, this can additionally have a second stator ring which has a structure identical to the first stator, the first and the second stator ring being firmly connected to one another via their second surfaces. There can be a connecting ring between the two or the two second surfaces are connected directly to one another. In addition, the two stator rings could also be connected to one another via webs so that air can flow between them, which would be good for additional heat dissipation. In principle, however, the two stator rings should be arranged as mirror images of one another, so that the cores of the electromagnets each point outwards into the respective first surfaces.
Außerdem kann dieses alternative weiterentwickelte Ausführungsbeispiel einen zweiten Rotor aufweisen, der einen zum ersten Rotor identischen Aufbau besitzt, wobei ein peripheres Ende des jeweiligen ersten Rohrabschnittes des ersten Rotors und des zweiten Rotors fest miteinander verbunden ist, sodass ein so entstehender Verbund aus dem ersten Rotor und dem zweiten Rotor den ersten Stator und den zweiten Stator in einem äußeren Bereich, in dem die beiden ersten Rohrabschnitte miteinander verbunden sind und im Bereich der Peripherie der Statorringe diese umschließen.In addition, this alternative, further developed exemplary embodiment can have a second rotor which has a structure identical to that of the first rotor, with a peripheral end of the respective first tube section of the first rotor and of the second rotor being firmly connected to one another, so that a resulting composite of the first rotor and the second rotor, the first stator and the second stator in an outer area, in which the two first pipe sections are connected to one another and enclose the stator rings in the area of their periphery.
In diesem Fall würde der Stator bzw. die beiden Statorhälften innerhalb der beiden Hälften des Rotors, die aber fest miteinander verbunden sind und somit eine Einheit bilden, liegen (außen laufender Rotor). Dabei sei angenommen, dass die Begriffe „Statorring“ und „Stator“ synonym verwendbar sind.In this case, the stator or the two halves of the stator would lie within the two halves of the rotor, which are firmly connected to one another and thus form a unit (rotor running on the outside). It is assumed that the terms “stator ring” and “stator” can be used synonymously.
Gemäß einem ergänzenden Ausführungsbeispiel des elektrischen Scheibenmotors kann der Rotorring auf einer Oberfläche des Rotorringes, die zum gedachten Mittelpunkt des Rotorringes weist, zusätzlich erste Luftschaufeln aufweisen. Diese können für eine gute Innenbelüftung des elektrischen Scheibenmotors sorgen und ihn so vor einer Überhitzung schützen.According to an additional exemplary embodiment of the electric disc motor, the rotor ring can additionally have first air blades on a surface of the rotor ring that faces the imaginary center point of the rotor ring. These can ensure good internal ventilation of the electric disc motor and thus protect it from overheating.
Gemäß einem weiteren ergänzenden Ausführungsbeispiel des elektrischen Scheibenmotors kann der Rotorring neben oder zwischen den Permanentmagneten der ersten Mehrzahl zweite Luftschaufeln aufweisen, die sich innerhalb des ersten Spaltes von der ersten Oberfläche des Rotorringes weg erstrecken. Auch diese können für eine zusätzliche gute Innenbelüftung des elektrischen Scheibenmotors sorgen, so dass möglichst viel der heißen Luft, die sich zwischen den Spalten des Scheibenmotors bilden kann, aus dem Scheibenmotor heraus befördert wird.According to a further supplementary exemplary embodiment of the electric disc motor, the rotor ring can have second air vanes adjacent to or between the permanent magnets of the first plurality, which extend away from the first surface of the rotor ring within the first gap. These can also provide additional good internal ventilation of the electric disc motor, so that as much of the hot air that can form between the gaps in the disc motor is transported out of the disc motor.
Gemäß einem praktischen Ausführungsbeispiel des elektrischen Scheibenmotors kann ein zweites Drehlager - beispielsweise als Rollen- oder Doppelkugellager - auf der Innenseite des Rohrabschnittes vorhanden sein, wobei das zweite Drehlager zur Aufnahme einer, in dem zweiten Drehlager drehbar gelagerten, Nabe angepasst ist. Diese Nabe kann zum Beispiel zu einer Felge eines Fahrzeugs gehören. Die Nabe könnte dann mit einer am Fahrzeug vorhandenen Bremsscheibe fest verbunden werden.According to a practical embodiment of the electric disk motor, a second pivot bearing - for example as a roller or double ball bearing - can be present on the inside of the tubular section, the second pivot bearing being adapted to receive a hub rotatably mounted in the second pivot bearing. This hub can, for example, belong to a wheel rim of a vehicle. The hub could then be firmly connected to a brake disc present on the vehicle.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel des elektrischen Scheibenmotors kann sich die dritte Mehrzahl zur ersten Mehrzahl wie 3 zu 4 verhalten. Dies würde heißen, dass die Anzahl der Permanentmagnete im Rotor gegenüber der Anzahl der Elektromagnete im Stator höher wäre. So könnten beispielsweise 28 Permanentmagnete im Rotor vorhanden sein, während nur 21 Elektromagnete im Stator vorhanden wären. Dieses Verhältnis hat sich als praktisch für die Funktionsweise des elektrischen Scheibenmotors erwiesen. Allerdings sind auch andere Mehrzahlverhältnisse möglich.According to an advantageous exemplary embodiment of the electric disk motor, the ratio of the third plurality to the first plurality can be as 3 to 4. This would mean that the number of permanent magnets in the rotor would be higher than the number of electromagnets in the stator. For example, there could be 28 permanent magnets in the rotor while there would only be 21 electromagnets in the stator. This ratio has been found to be practical for the operation of the electric disk motor. However, other plural ratios are also possible.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des elektrischen Scheibenmotors kann der erste Statorring - beispielsweise auf seiner zweiten Oberfläche - elektrische Anschlüsse - zum Beispiel drei Anschlüsse - aufweisen, die über innerhalb des ersten Statorringes verlaufenden elektrischen Verbindungen mit jeweils ausgewählten der Elektromagneten verbunden sein, sodass z.B. jeweils jeder dritte Elektromagnet gleichzeitig aktivierbar ist. Dabei kann auf ein bekanntes Verfahren zur effektiven elektrischen Verbindung der Elektromagnete und einer entsprechenden Ansteuerung untereinander zurückgegriffen werden.According to a further advantageous exemplary embodiment of the electric disc motor, the first stator ring can have electrical connections, for example three connections, on its second surface, for example, which are connected to selected ones of the electromagnets via electrical connections running inside the first stator ring, so that, for example, each third electromagnet can be activated at the same time. In this case, a known method for the effective electrical connection of the electromagnets and a corresponding control among one another can be used.
Gemäß einem zusätzlichen Ausführungsbeispiel des elektrischen Scheibenmotors kann der Abstandsrohrabschnitt isolierte Durchkontaktierungen aufweisen, die die in dem ersten Statorring und dem zweiten Statorring liegenden elektrischen Verbindungen selektiv miteinander verbinden. Dazu können an dem Abstandsrohrabschnitt und in den Oberflächen der Statorringe beispielsweise Steckverbindungen vorgesehen sein. Auf diese Weise würden sich innerhalb des elektrischen Scheibenmotors keine freiliegenden elektrischen Kabel befinden. Trotzdem wäre ein modularer Aufbau möglich.According to an additional exemplary embodiment of the electric disc motor, the spacer tube section can have insulated vias which selectively connect the electrical connections located in the first stator ring and the second stator ring to one another. For this purpose, for example, plug-in connections can be provided on the spacer tube section and in the surfaces of the stator rings. In this way, there would be no exposed electrical wires within the electric disc motor. Nevertheless, a modular structure would be possible.
Gemäß einem praktikablen Ausführungsbeispiel des elektrischen Scheibenmotors kann der erste und/oder der zweite Statorring aus Aluminium, Stahl, Kunststoff inklusive Carbon-Material oder anderen Verbundmaterialien bestehen, in die die Spulen (mit den Kernen) der Elektromagnete und isolierte elektrische Verbindungen einbettbar sind. Beispielsweise könnten die Elektromagnete auf einer ihrer Seiten mit ihren jeweiligen Kernen auf eine vorgegebene Oberfläche fixiert werden. Das jeweilige tragende Material des jeweiligen Stator könnte dann um die Elektromagnete herumgegossen werden. Außerdem ist es möglich, die tragenden Teile des Stators und des Rotors in einem 3D-Druckverfahren herzustellen. In jedem Fall sollte der Stator aus einem Material ausreichender Güte bestehen, um den auftretenden Kräften widerstehen zu können und gleichzeitig Abwärme gut ableiten zu können. Im Gegensatz dazu können die Rotorteile leichtgewichtig dimensioniert werden, da sie durch die potenziell um sie herumliegende Felge zusätzlich stabilisiert werden können. Allerdings ist es auch bei den Rotoren erforderlich, dass die Verbindung zu den jeweiligen - z.B. aufgeklebten oder eingelassenen - Magneten stabil ist, um ein Ablösen der Magnete von den Oberflächen der Rotoren zu verhindern.According to a practical embodiment of the electric disk motor, the first and/or the second stator ring can be made of aluminum, steel, plastic including carbon material or other composite materials, in which the coils (with the cores) of the electromagnets and insulated electrical connections can be embedded. For example, the electromagnets could be fixed on one of their sides with their respective cores on a given surface. The respective supporting material of the respective stator could then be cast around the electromagnets. It is also possible to manufacture the supporting parts of the stator and rotor using a 3D printing process. In any case, the stator should consist of a material of sufficient quality to be able to withstand the forces that occur and at the same time to be able to dissipate waste heat well. In contrast, the rotor parts can be dimensioned to be lightweight since they can be additionally stabilized by the rim potentially lying around them. However, it is also necessary for the rotors that the connection to the respective magnets - e.g. glued on or embedded - is stable in order to prevent the magnets from detaching from the surfaces of the rotors.
Gemäß einem weiterentwickelten Ausführungsbeispiel des elektrischen Scheibenmotors kann ein Befestigungselement, welches sich weg von einer der Oberflächen des Statorringes erstreckt, vorhanden sein, dessen äußerer Anlagepunkt an dem Statorring einen kleineren Abstand zur Drehachse aufweisen sollte als ein innerer Durchmesser eines Rotorringes, und dessen innerer Anlagepunkt an dem Statorring einen größeren Abstand zur Drehachse aufweist als der innere Durchmesser eines Rotorringes. Damit ließe sich das Befestigungselement komplett mit der jeweiligen zweiten Oberfläche des Statorringes verbinden.According to a further developed embodiment of the electric disc motor, there can be a fastening element which extends away from one of the surfaces of the stator ring, the outer contact point of which on the stator ring should have a smaller distance from the axis of rotation than an inner diameter of a rotor ring, and the inner contact point on the stator ring has a greater distance to the axis of rotation than the inner diameter of a rotor ring. The fastening element could thus be connected completely to the respective second surface of the stator ring.
Außerdem kann das Befestigungselement so ausgestaltet sein, dass es geeignet ist, mit einem Element eines Fahrzeugs - beispielsweise dem Bremssattel - fest oder wieder lösbar verbunden zu werden. Der Bremssattel könnte eine entsprechende Aufnahmevorrichtung aufweisen.In addition, the fastening element can be designed in such a way that it is suitable for being connected firmly or detachably to an element of a vehicle—for example the brake caliper. The brake caliper could have a corresponding receiving device.
Dementsprechend und gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des elektrischen Scheibenmotors kann das Befestigungselement geeignet sein, in eine Nut, eine Nase oder eine Bohrung eines Bremssattels einzugreifen, wodurch eine Drehung des Stators oder der Statoren gegenüber dem Bremssattel verhindert wird. Alternativ können auch andere Elemente an einer jeweiligen Achse eines Fahrzeuges dazu genutzt werden, eine Drehung des Stators im aktiven Betrieb zu verhindern. Außerdem könnten die elektrischen Anschlüsse durch oder über das Befestigungselement mit entsprechenden Anschlüssen am Bremssattel oder einem anderen Anschlusspunkt der jeweiligen Achse des Fahrzeuges verbunden sein. Durch eine Führung der elektrischen Anschlüsse innerhalb des Befestigungselementes wären auch an dieser Stelle keine freiliegenden elektrischen Kabel vorhanden.Accordingly and according to a further advantageous embodiment of the electric disc motor, the fastening element can be suitable for engaging in a groove, a lug or a bore of a brake caliper, whereby rotation of the stator or stators relative to the brake caliper is prevented. Alternatively, other elements on a respective axle of a vehicle can also be used to prevent the stator from rotating during active operation. In addition, the electrical connections could be connected to corresponding connections on the brake caliper or another connection point of the respective axle of the vehicle through or via the fastening element. By routing the electrical connections within the fastening element, no exposed electrical cables would be present at this point either.
Durch das einfache Einschieben oder Einstechen des Befestigungselementes in eine entsprechende Nut im Bremssattel kann ein Radwechsel im herkömmlichen Verfahren durchgeführt werden. Außerdem wäre vorstellbar, dass die Felgen vollständig mit den Scheibenmotoren ausgeliefert wurden. Der jeweilige Motor müsste nur über einen Stecker mit der Fahrzeugelektrik/-elektronik verbunden werden.By simply pushing or piercing the fastening element into a corresponding groove in the brake caliper, a wheel can be changed using the conventional method. It would also be conceivable that the rims were delivered complete with the disc motors. The respective motor would only have to be connected to the vehicle electrics/electronics via a plug.
Gemäß einem besonderen Ausführungsbeispiel kann sich das Befestigungselement senkrecht weg von einer der Oberflächen des Statorringes erstrecken. Alternativ sind auch Befestigungselemente denkbar, welche sich unter vordefinierten Winkeln von der Oberfläche des Startorringes weg erstrecken. „Senkrecht weg erstrecken“ muss nicht zwangsläufig „parallel zur Drehachse“ bedeuten. Das Befestigungselement sollte immer so gestaltet sein, dass ein möglichst großes Drehmoment zwischen dem Stator und dem Bremssattel - oder eines anderen stationären Teils eines Fahrzeuges - übertragen werden kann. Dabei können auch konstruktive Merkmale des Fahrzeuges eine Rolle spielen.According to a particular embodiment, the fastener may extend perpendicularly away from one of the surfaces of the stator ring. Alternatively, fastening elements are also conceivable, which extend away from the surface of the starter ring at predefined angles. "Extend perpendicularly" does not necessarily mean "parallel to the axis of rotation". The fastening element should always be designed in such a way that the greatest possible torque can be transmitted between the stator and the brake caliper - or another stationary part of a vehicle. Structural features of the vehicle can also play a role here.
Gemäß einem praktischen Ausführungsbeispiel des elektrischen Scheibenmotors kann dieser ein drittes Drehlager - beispielsweise in Form eines Rollenlagers oder Doppelkugellagers - auf einer zur Drehachse weisenden Seite des ersten Rotorringes aufweisen, wobei das dritte Drehlager angepasst ist zur Aufnahme einer, in dem dritten Drehlager drehbar gelagerten, Nabe. Die Nabe kann beispielsweise zu einer Felge gehören, die typischerweise schraubbar an einem Element einer Bremsscheibe befestigt ist. Damit würde eine feste Verbindung zwischen der Felge und der Bremsscheibe bestehen. Der Scheibenmotor würde sich zwischen der Nabe und einer Innenseite des Felgenteils, der den Reifen aufnimmt, befinden.According to a practical embodiment of the electric disc motor, it can have a third pivot bearing - for example in the form of a roller bearing or double ball bearing - on a side of the first rotor ring facing the axis of rotation, the third pivot bearing being adapted to accommodate a hub rotatably mounted in the third pivot bearing . For example, the hub may be associated with a rim, which is typically threadably attached to a member of a brake disc. This would create a firm connection between the rim and the brake disc. The disc motor would be between the hub and an inside of the rim portion that houses the tire.
Dementsprechend und gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des elektrischen Scheibenmotors kann also die Nabe eine Nabe einer Felge sein. Alternativ kann die Nabe ein zum Stator orientierter achssymmetrischer Fortsatz einer Bremsscheibe sein. In beiden Fällen kann der Effekt des Antriebes der Felge durch den Scheibenläufermotor erreicht werden.Correspondingly and according to a further exemplary embodiment of the electric disk motor, the hub can therefore be a hub of a rim. Alternatively, the hub can be an axisymmetric extension of a brake disc oriented towards the stator. In both cases, the effect of driving the rim can be achieved by the disc motor.
Gemäß einem weiteren praktischen Ausführungsbeispiel des elektrischen Scheibenmotors kann eine radiale Oberfläche eines jeweiligen ersten Rohrabschnittes eine oder mehrere Nuten oder Nasen aufweisen (z.B. parallel zur Drehachse), die angepasst sein können, in entsprechende Nasen und Nuten einer Felgeninnenseite einzugreifen. Damit würde sich der Scheibenläufermotor quasi innerhalb der Felge befinden, wobei die Felge mit der Nabe durch die Mitte des Scheibenläufermotors geführt würde und die äußere Peripherie des oder der Rotors/Rotoren in entsprechende Elemente (Nasen, Nuten etc.) der Felge eingreifen.According to a further practical embodiment of the electric disk motor, a radial surface of a respective first tube section may have one or more grooves or lugs (e.g. parallel to the axis of rotation) which may be adapted to engage in corresponding lugs and grooves of a rim inner side. The disc motor would thus be located inside the rim, with the rim being guided with the hub through the center of the disc motor and the outer periphery of the rotor(s) engaging in corresponding elements (lugs, grooves, etc.) of the rim.
Gemäß einem ergänzenden Ausführungsbeispiel des elektrischen Scheibenmotors sollten jeweilige Kerne und/oder Spulen der jeweiligen Elektromagnete bündig mit den Oberflächen, an die sie angrenzen, abschließen. Damit wird sichergestellt, dass Teile der Elektromagnete nicht über die Oberflächen herausstehen, aus denen sie austreten. Auf diese Weise wird es möglich, möglichst schmale Spalte zwischen den sich bewegenden Teilen zu gewährleisten, wodurch eine hohe Effizienz des Scheibenmotors erreicht wird.According to an additional embodiment of the electric disk motor, respective cores and/or coils of the respective electromagnets should be flush with the surfaces to which they abut. This ensures that parts of the electromagnets do not protrude beyond the surfaces from which they emerge. In this way it becomes possible to ensure the narrowest possible gaps between the moving parts, thanks to which high efficiency of the disc motor is achieved.
Gemäß einem weiteren ergänzenden Ausführungsbeispiel des elektrischen Scheibenmotors kann das Befestigungselement angepasst sein, elektrische Anschlüsse des jeweiligen Stators aufzunehmen und mit einem Fahrzeug verbindbar zu machen. Die elektrischen Anschlüsse der Elektromagnete des Stators/der Statoren können im Innern des Befestigungselementes geführt werden. Die elektrischen Anschlüsse können als Stecker (oder Buchse) ausgeführt sein und über das Befestigungselement in ein Gegenstück am Fahrzeug (Buchse/Stecker) - beispielsweise am Bremssattel - zum Stromübertrag verbunden werden. Damit ließe sich der Scheibenmotor ohne eine weitere Schraubverbindung nach dem Entfernen der Felge einfach, sowohl von der Felge als auch der Bremsscheibe abziehen.According to a further supplementary exemplary embodiment of the electric disc motor, the fastening element can be adapted to accommodate electrical connections of the respective stator and make them connectable to a vehicle. The electrical connections of the electromagnets of the stator(s) can be routed inside the fastening element. The electrical connections can be in the form of plugs (or sockets) and can be connected via the fastening element to a counterpart on the vehicle (socket/plug)—for example on the brake caliper—for power transmission. This means that the disc motor can be easily removed from both the rim and the brake disc without an additional screw connection after removing the rim.
Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere können einige Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen, und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrenshinweisen, beschrieben worden sein. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung unmittelbar klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ eines Erfindungsgegenstandes gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.It is pointed out that embodiments of the invention have been described with reference to different objects of the invention. In particular, some embodiments of the invention may have been described with apparatus claims and other embodiments of the invention with method claims. However, it will be immediately clear to those skilled in the art upon reading this application that, unless explicitly stated otherwise, any combination of features belonging to one type of subject matter of the invention is also possible, in addition to any combination of features belonging to different types of objects of the invention.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen. Die einzelnen Figuren der Zeichnungen dieser Anmeldung sind lediglich als schematisch und als nicht maßstabsgetreu anzusehen.Further advantages and features of the present invention result from the following exemplary description of currently preferred embodiments. The individual figures of the drawings of this application are to be regarded as schematic only and are not true to scale.
Figurenlistecharacter list
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1 stellt eine Grundform des Scheibenmotors mit einem Rotorring und einem Statorring, die voneinander getrennt sind, dar.1 represents a basic form of disc motor with a rotor ring and a stator ring that are separated from each other. -
2 zeigt ein Schnittbild durch einen Stator mit einem gekrümmten Elektromagneten.2 shows a sectional view through a stator with a curved electromagnet. -
3 stellt den zusammengesetzten Scheibenmotor dar.3 represents the assembled disc motor. -
4 stellt einen Halbschnitt durch den zusammengesetzten Scheibenmotor gemäß3 dar.4 Figure 1 shows a half section through the assembled disc motor3 represent. -
5 zeigt den Stator zusammen mit einem Abstandsrohrabschnitt.5 shows the stator together with a spacer tube section. -
6 zeigt einen Verbund der beiden Statoren, die durch den Abstandsrohrabschnitt miteinander verbunden sind.6 shows a combination of the two stators, which are connected to one another by the spacer tube section. -
7 zeigt den erweiterten Rotor mit einem zweiten Rohrabschnitt, der sich konzentrisch und symmetrisch zum ersten Rohrabschnitt von der zweiten Oberfläche des Rotors erstreckt.7 Figure 1 shows the expanded rotor with a second tube section extending concentrically and symmetrically to the first tube section from the second surface of the rotor. -
8 zeigt einen zusammengesetzten Scheibenmotor bestehend aus dem Doppelstator gemäß6 und dem Rotor gemäß7 .8th shows an assembled disc motor consisting of the double stator according to6 and according to the rotor7 . -
9 zeigt einen Halbschnitt durch Statoren gemäß einem Ausführungsbeispiel.9 shows a half section through stators according to an embodiment. -
10 zeigt zwei aneinander liegende Statoren.10 shows two adjacent stators. -
11 zeigt eine Ansicht eines Ausführungsbeispiels mit einem Rotorteil eines außen liegenden Rotors.11 shows a view of an embodiment with a rotor part of an outer rotor. -
12 zeigt eine Ausführungsform des Scheibenmotors mit außen liegendem Rotor12 Fig. 12 shows an embodiment of the disk motor with an external rotor -
13 zeigt einen Halbschnitt 1300 des Ausführungsbeispiels des Scheibenmotors mit einem außen laufenden Rotor gemäß12 .13 13 shows ahalf section 1300 of the embodiment of the disc motor with an outer rotor according to FIG12 . -
14 zeigt ein Beispiel für Luftschaufeln auf einer Rotorinnenseite.14 shows an example of air vanes on the inside of a rotor. -
15 . zeigt einer Detailabbildung für Luftschaufeln.15 . shows a detailed illustration for air blades. -
16 zeigt einen Scheibenmotor, dessen Rotor an seiner Außenseite ein Beispiel für eine Verzahnung aufweist.16 shows a disk motor, the rotor of which has an example of toothing on its outside. -
17 zeigt den Scheibenmotor gemäß16 eingebaut in eine Felge in Halbschnittdarstellung.17 shows the disc motor according to16 installed in a rim in half-section view. -
18 zeigt einen Scheibenmotor mit Befestigungselement und einer getrennten Bremssattel/Bremsscheiben-Kombination.18 shows a disc motor with fastener and a separate caliper/disc combination. -
19 zeigt ein an einem Bremssattel eingerastetes Befestigungselement.19 shows a fastener snapped onto a brake caliper.
Detaillierte Beschreibung von AusführungsbeispielenDetailed description of exemplary embodiments
Folgende Begriffe und Ausdrücke werden in diesem Dokument genutzt:The following terms and expressions are used in this document:
Der Begriff „Rotor“ beschreibt den drehbaren Teil eines Elektromotors. Bei dem hier vorgestellten Scheibenmotor in seiner Basisform besitzt der Rotor im Wesentlichen die Form einer Scheibe, die mit Permanentmagneten bestückt ist. Zusätzlich weist der Rotor an der Peripherie der Rotorscheibe einen achssymmetrischen Fortsatz auf, der sich von der Rotorscheibe weg erstreckt und auf seiner Innenseite auch mit Permanentmagneten bestückt sein kann.The term "rotor" describes the rotatable part of an electric motor. In the basic form of the disk motor presented here, the rotor essentially has the shape of a disk that is equipped with permanent magnets. In addition, the rotor has an axisymmetric extension on the periphery of the rotor disk, which extends away from the rotor disk and can also be equipped with permanent magnets on its inside.
Der Begriff „Felge eines Fahrzeugs“ beschreibt einen Reifen tragenden Teil eines Fahrzeugs, z.B. eines PKWs, eines Transporters oder eines LKWs. Denkbar sind aber auch Fahrräder (E-Bikes), E-Roller oder E-Motorräder. Die Felge ist typischerweise mit einem drehbaren Teil am Fahrzeug verbunden, das in oder an der Radaufhängung über die Nabe der Felge gelagert ist. Der Scheibenmotor kann sich innerhalb der Felge befinden und von dieser umschlossen werden. Die Innenseite der Felge kann den Rotor passgenau in sich aufnehmen. Eine Verzahnung kann dafür sorgen, dass eine Kraftübertragung bzw. Drehmomentübertragung vom Scheibenmotor auf die Felge erfolgen kann.The term "wheel rim of a vehicle" describes a tire-bearing part of a vehicle, e.g. a car, a van or a truck. Bicycles (e-bikes), e-scooters or e-motorcycles are also conceivable. The rim is typically connected to a rotatable part on the vehicle which is journalled in or on the wheel suspension via the hub of the rim. The disc motor can be located inside and surrounded by the rim. The inside of the rim can accommodate the rotor with a precise fit. Gearing can ensure that power transmission or torque transmission can take place from the disc motor to the rim.
Der Begriff „Rotorring“ beschreibt den inneren Teil eines Rotors des Scheibenmotors. Er kann eine erste und eine zweite Oberfläche besitzen. Permanentmagnete können in regelmäßigen Abständen bzw. regelmäßigen Kreissegmenten in die Oberfläche des Rotorrings eingelassen sein. Die Orientierung der Permanentmagnete wechselt sich zwischen benachbarten Permanentmagneten ab.The term “rotor ring” describes the inner part of a disc motor rotor. It can have a first and a second surface. Permanent magnets can be embedded in the surface of the rotor ring at regular intervals or regular segments of a circle. The orientation of the permanent magnets alternates between adjacent permanent magnets.
Der Begriff „Permanentmagnet“ beschreibt ein Element aus einem ferromagnetischen Material. Das Material der Permanentmagnete, die im vorgestellten Scheibenmotor Verwendung finden, sollte eine hohe Dauermagnetisierung aufweisen, wie es hartmagnetische Materialien von Legierungen aus Eisen, Kobalt, Nickel, Ferriten und anderen Seltenerden der Fall ist.The term "permanent magnet" describes an element made of a ferromagnetic material. The material of the permanent magnets used in the disc motor presented should have a high permanent magnetization, as is the case with hard magnetic materials made of alloys of iron, cobalt, nickel, ferrites and other rare earths.
Der Begriff „Rohrabschnitt“ beschreibt einen Teil eines Rohres, dessen Schnittflächen im Wesentlichen senkrecht zur Längssymmetrie des Rohres verlaufen. Dabei kann die Länge des Rohrabschnittes kleiner sein als sein Durchmesser.The term "pipe section" describes a part of a pipe whose cut surfaces are essentially perpendicular to the longitudinal symmetry of the pipe. The length of the pipe section can be smaller than its diameter.
Der Begriff „Statorring“ - in Kurzform Stator - beschreibt ein Grundelement eines Stators des Scheibenmotors. Im Gegensatz zum Rotor steht der Stator fest. Der Statorring kann die gekrümmten Elektromagnete aufnehmen, sodass Pole der Elektromagnete einerseits zur Peripherie des Statorringes weisen und andererseits zu einer Seitenfläche oder einer ersten Oberfläche des Statorringes. Das Material des Statorringes kann z.B. Aluminium oder eine Alaufweisende Legierung oder auch Carbon-Verbundstoffe aufweisen. Der Statorring sollte auch die Fähigkeit haben, Wärme abzuleiten. Es sind auch Materialkombinationen denkbar, in denen die Elektromagnete in größere Öffnungen der Statorscheibe eingelegt werden und dann mit einem Verbundstoff eingegossen werden.The term "stator ring" - short for stator - describes a basic element of a stator of the disc motor. In contrast to the rotor, the stator is fixed. The stator ring can accommodate the curved electromagnets so that poles of the electromagnets point to the periphery of the stator ring on the one hand and to a side surface or a first surface of the stator ring on the other hand. The material of the stator ring can be, for example, aluminum or an alloy containing aluminum or carbon composites. The stator ring should also have the ability to dissipate heat. Material combinations are also conceivable, in which the electromagnets are inserted into larger openings in the stator disk and then cast in with a composite material.
Der Begriff „Abstandsrohrabschnitt“ beschreibt einen Rohrabschnitt, der zur Beabstandung zweier Statoren oder Statorscheiben einsetzbar ist. Er kann auch Bohrungen oder Gewinde aufweisen, mit denen die Statorscheiben an dem Abstandsrohrabschnitt befestigt werden können. Außerdem können durch das Material des Abstandsrohrabschnittes isolierte elektrische Leitungen von einer Statorscheibe zur anderen geführt werden und somit die Elektromagnete selektiv elektrisch verbinden.The term "spacer tube section" describes a tube section that can be used to space two stators or stator disks. It can also have bores or threads with which the stator discs can be attached to the spacer tube section. In addition, electrical lines insulated by the material of the spacer tube section can be routed from one stator disk to the other and thus selectively electrically connect the electromagnets.
Der Begriff „Elektromagnet“ beschreibt hier einen geometrisch besonders gestalteten Elektromagneten. Der Kern des Elektromagneten ist dabei nicht linear gestreckt sondern verläuft auf einer gekrümmten Bahn, z.B. einem Viertelkreis. Damit liegen Oberflächen der Enden des Kerns des Elektromagneten in einem Winkel von z.B. 90° zueinander. Es sind auch andere Winkel möglich, z.B. bis ca. 140°. Insbesondere muss der nach außen zur Peripherie des Statorringes weisende Pol nicht parallel zur Mittelachse des Statorringes verlaufen. Allerdings sollte in einem solchen Fall die Innenseite des Rohrabschnittes des Rotors auch gegenüber der Drehachse gekippt sein, sodass ein weitgehend konstanter Spalt zwischen der Polfläche des Elektromagneten und den Magneten auf der Innenseite des Rohrabschnittes des Rotorringes entsteht. Allerdings könnten auch nur die Oberflächen der Permanentmagnete geneigt sein.The term “electromagnet” here describes an electromagnet with a special geometric design. The core of the electromagnet is not stretched linearly but follows a curved path, e.g. a quadrant. Thus, surfaces of the ends of the core of the electromagnet lie at an angle of, for example, 90° to one another. Other angles are also possible, e.g. up to approx. 140°. In particular, the pole pointing outwards to the periphery of the stator ring does not have to run parallel to the central axis of the stator ring. In such a case, however, the inside of the tubular section of the rotor should also be tilted relative to the axis of rotation, so that a largely constant gap is created between the pole face of the electromagnet and the magnets on the inside of the tubular section of the rotor ring. However, only the surfaces of the permanent magnets could be inclined.
Durch die Mehrzahl der Elektromagnete ist eine effektive Ansteuerung der Elektromagnete erforderlich, um auf möglichst effektive Art den Rotor des Scheibenmotors anzutreiben. Dazu können handelsübliche Steuerungen verwendet werden. Diese können mehrere - insbesondere ausgewählte - der Mehrzahl der Elektromagnete des Statorringes gleichzeitig aktivieren. Typischerweise sind die Elektromagnete elektrisch innerhalb des Statorringes so miteinander verbunden, dass nur drei äußere Anschlüsse erforderlich sind.Due to the large number of electromagnets, an effective control of the electromagnets is necessary in order to drive the rotor of the disc motor in the most effective way possible. Standard controls can be used for this. These can activate several—in particular selected ones—of the majority of the electromagnets of the stator ring at the same time. Typically, the electromagnets are electrically connected together within the stator ring such that only three external connections are required.
Zusätzlich weisen die Elektromagnete Wicklungen auf, die allerdings der Krümmung des gekrümmten Kerns folgen müssen.In addition, the electromagnets have windings, which, however, must follow the curvature of the curved core.
Es wird darauf hingewiesen, dass Merkmale bzw. Komponenten von unterschiedlichen Ausführungsformen, die mit den entsprechenden Merkmalen bzw. Komponenten der Ausführungsform nach gleich oder zumindest funktionsgleich sind, weitgehend mit den gleichen Bezugszeichen oder mit einem anderen Bezugszeichen versehen sind, welches sich lediglich in seiner ersten Ziffer von dem Bezugszeichen eines (funktional) entsprechenden Merkmals oder einer (funktional) entsprechenden Komponente unterscheidet. Zur Vermeidung von unnötigen Wiederholungen werden bereits anhand einer vorher beschriebenen Ausführungsform erläuterte Merkmale bzw. Komponenten an späterer Stelle nicht mehr im Detail erläutert.It is pointed out that features or components of different embodiments that are the same or at least functionally equivalent to the corresponding features or components of the embodiment are largely provided with the same reference symbols or with a different reference symbol, which differs only in its first Digit differs from the reference number of a (functionally) corresponding feature or a (functionally) corresponding component. To avoid unnecessary repetition, features or components that have already been explained using a previously described embodiment will not be explained in detail later.
Ferner wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. Insbesondere ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, sodass für den Fachmann mit den hier explizit dargestellten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.Furthermore, it is pointed out that the embodiments described below only represent a limited selection of possible embodiment variants of the invention. In particular, it is possible to combine the features of individual embodiments with one another in a suitable manner, so that a large number of different embodiments can be regarded as obviously disclosed for the person skilled in the art with the embodiment variants explicitly presented here.
Außerdem ist an dem Rotorring 102 ein erster Rohrabschnitt 116 befestigt, der sich von einer äußeren Peripherie des Rotorringes 102 konzentrisch zur gedachten Drehachse von der ersten ringförmigen Oberfläche 102 weg erstreckt (in
Die erste Mehrzahl ist zahlenmäßig gleich der zweiten Mehrzahl; d.h., dass die Anzahl der Permanentmagnete 118 auf der Innenseite des Rohrabschnittes 116 und diejenigen in der ersten Oberfläche 104 des Rotorringes 102 identisch sind und sich jeweils paarweise im gleichen Kreissegment befinden.The first plurality is equal in number to the second plurality; i.e. the number of
Für die Permanentmagnete 118 gilt, dass die Nord-Süd-Ausrichtungen der Permanentmagnete 118 der zweiten Mehrzahl jeweils senkrecht zur gedachten Drehachse verlaufen und benachbarte Permanentmagnete 118 der zweiten Mehrzahl jeweils um 180° zueinander gedrehte Nord-Süd-Ausrichtungen aufweisen. D.h., dass sich die Ausrichtungen von benachbarten Permanentmagneten 118 regelmäßig abwechseln. Außerdem liegen jeweils unterschiedliche Pole der entsprechenden Permanentmagnete 114 der ersten Mehrzahl und der zweiten Mehrzahl (Permanentmagnete 118) im jeweiligen Kreissegment in einem Winkel von beispielsweise 90° zueinander.For the
Außerdem weist der Scheibenmotor den ersten Statorring 120 auf. Dieser hat eine erste ringförmige Oberfläche 122 und eine parallel gegenüberliegende zweite ringförmige Oberfläche (nicht dargestellt), die sich jeweils senkrecht zu der gedachten Drehachse durch einen Mittelpunkt 110 des ersten Statorringes 120 und des Rotors 100 erstrecken, wobei die gedachte Drehachse des ersten Statorringes 120 und diejenige des Rotors 100 identisch sind.In addition, the disc motor has the
Der Stator 120 weist weiterhin eine dritte Mehrzahl von Elektromagneten (hier nicht direkt sichtbar, da im Inneren des Stators 120 liegend) innerhalb des ersten Statorringes 120 auf. Dabei ist die dritte Mehrzahl zahlenmäßig kleiner als die erste Mehrzahl. Das heißt, dass die Anzahl der Elektromagnete in dem Stator 120 eine geringere Anzahl als die Anzahl der Permanentmagnete in der Oberfläche 104 des Rotorringes 102 (bzw. auf der Innenseite des Rohrabschnittes 116 hat; also praktisch hat sich ein Verhältnis von 3:4 erwiesen, zum Beispiel 21:28. Allerdings sind auch andere Verhältnisse möglich.The
Die Elektromagnete weisen einen gekrümmten Kern (z.B. 90° oder auch Winkel bis herunter auf ca. 45°) auf. Ein Pol 126 eines jeweiligen Elektromagneten weist in Richtung einer äußeren umlaufenden Peripherie 124 des ersten Statorringes 120, und ein entsprechender anderer Pol 128 des jeweiligen Elektromagnetes ist in Richtung der ersten Oberfläche des ersten Statorringes 120 ausgerichtet.The electromagnets have a curved core (e.g. 90° or an angle down to about 45°). One
So befindet sich zwischen den zur Peripherie 124 des Statorringes 120 weisenden jeweiligen Pole 126 der Elektromagnete und der zweiten Mehrzahl der Permanentmagnete 118 auf der Innenseite des ersten Rohrabschnittes 116 des Rotors 100 ein erster Spalt. Zwischen den in Richtung der ersten Oberfläche 102 weisenden Polen der Elektromagnete und der ersten Mehrzahl von Permanentmagneten 114, die einer Ebene der entsprechenden Pole der Elektromagnete gegenüberliegt, befindet sich ein zweiter Spalt, sodass der Rotor 100 frei gegenüber dem Statorring 120 drehbar ist.A first gap is thus located between the
Der Rotorring kann außerdem abschnittsweise Durchbrüche 208 aufweisen. Diese können für eine bessere Innendurchlüftung des Scheibenmotors sorgen und außerdem eine Gewichtsreduktion bei voller Funktionsfähigkeit gewährleisten.The rotor ring can also have
Der Abstandsrohrabschnitt 502 erstreckt sich zwischen den Elektromagneten und einem Innendurchmesser des ersten Statorringes 120 konzentrisch weg von der ersten Oberfläche des Statorringes.The
Der zweite Statorring 602 ist parallel zum ersten Statorring 120 konzentrisch an dem Abstandsrohrabschnitt 502 befestigt. Der zweite Statorring 602 weist einen Aufbau entsprechend dem ersten Statorring 120 auf. Die erste Oberfläche des ersten Statorringes 120 liegt der ersten Oberfläche 120 des zweiten Statorringes 602 gegenüber. Dabei liegt der Rotorring zwischen den beiden ersten Oberflächen der beiden Statoren 102 und 602 (hier noch nicht dargestellt).The
Zusätzlich weist - in
Auch hier liegt zwischen den zur Peripherie des zweiten Statorringes weisenden jeweiligen Polen der Elektromagnete und der Mehrzahl der Permanentmagnete auf der Innenseite des zweiten Rohrabschnittes des Rotors 100 ein dritter Spalt. Zwischen den in Richtung der ersten Oberfläche weisenden Pole der Elektromagnete des zweiten Statorringes und der ersten Mehrzahl von Permanentmagneten, die einer Ebene der Pole der Elektromagnete des zweiten Statorringes gegenüberliegt, befindet sich ein vierter Spalt, sodass der Rotor frei gegenüber dem Statorring drehbar ist.Here too there is a third gap between the respective poles of the electromagnets pointing towards the periphery of the second stator ring and the plurality of permanent magnets on the inside of the second tubular section of the
Dieses Ausführungsbeispiel des Rotors ist also symmetrisch zur Rotorscheibe aufgebaut.This exemplary embodiment of the rotor is therefore constructed symmetrically to the rotor disk.
Die Permanentmagnete 114 sollten in diesem Ausführungsbeispiel von der einen Oberfläche des Rotorringes zur anderen weisen. Außerdem müssen entsprechende Permanentmagnete in gleichen Kreissegmenten des ersten und des zweiten Rohrabschnittes des Rotors 100 unterschiedliche Pole aufweisen, die jeweils zum Mittelpunkt des Rotors 100 weisen. Damit liegen sich z.B. in einem Winkel von z.B. 90° (andere Winkel s.o.) abwechselnde Pole der Permanentmagnete (114, vgl.
Zwar ist es möglich, zwei identische Rotoren 100 gemäß
Auch hier kann der Rotor durch eine Innenseite einer Felge gehalten werden, sodass die erforderlichen Spalte eingehalten werden und der Rotor frei drehbar bleibt. Die dazu praktischen Nuten auf der Peripherie des Rotors sind nicht dargestellt. Alternativ kann der Rotor auf einem Lager auf dem Abstandsrohrabschnitt laufenAgain, the rotor can be held by an inside of a rim so that the required gaps are maintained and the rotor remains free to rotate. The practical grooves on the periphery of the rotor are not shown. Alternatively, the rotor may ride on a bearing on the spacer tube section
Es ist offensichtlich, dass diese Version des vorgestellten Scheibenmotors als innenlaufende Version bezeichnet wird, da der Rotor sich zwischen den beiden Teilstatoren dreht. Auch hierfür gilt, dass die Zentrierung des Rotors über die Nabe und Felge eines Rades erfolgen kann.It is obvious that this version of the disc motor presented is referred to as the in-rotating version, since the rotor rotates between the two part-stators. Here, too, the rotor can be centered via the hub and rim of a wheel.
Eine alternative Bauform wird durch außen liegende Rotorelemente beschrieben, die in den folgenden Figuren dargestellt ist.
Die Rotorteile besitzen einen identischen (spiegelsymmetrischen) Aufbau, bei denen ein peripheres Ende des jeweiligen ersten Rohrabschnittes des ersten Rotors und des zweiten Rotors fest miteinander verbunden sind, sodass ein entstehender Verbund aus dem ersten Rotor und dem zweiten Rotor den ersten Stator und den zweiten Stator in einem äußeren Bereich, in dem die beiden ersten Rohrabschnitte miteinander verbunden sind und im Bereich der Peripherie des Statorringes diesen umschließen.The rotor parts have an identical (mirror-symmetrical) structure, in which a peripheral end of the respective first tube section of the first rotor and the second rotor are firmly connected to one another, so that a resulting composite of the first rotor and the second rotor forms the first stator and the second stator in an outer area in which the first two pipe sections are connected to one another and enclose the stator ring in the area of its periphery.
Die Beschreibung der verschiedenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung wurde zum besseren Verständnis dargestellt, dient aber nicht einer unmittelbaren Einschränkung der erfinderischen Idee auf diese Ausführungsbeispiele. Weitere Modifikationen und Variationen erschließt sich der Fachmann selbst. Die hier genutzte Terminologie wurde so gewählt, um die grundsätzlichen Prinzipien der Ausführungsbeispiele am besten zu beschreiben und sie dem Fachmann leicht zugänglich zu machen.The description of the various exemplary embodiments of the present invention has been presented for better understanding, but does not serve to directly limit the inventive idea to these exemplary embodiments. The person skilled in the art will discover further modifications and variations. The terminology used here was chosen in such a way that it best describes the basic principles of the exemplary embodiments and makes them easily accessible to the person skilled in the art.
Die dargestellten Strukturen, Materialien, Abläufe und Äquivalente aller Mittel und/oder Schritte mit zugehörigen Funktionen in den untenstehenden Ansprüchen sind dazu gedacht, alle Strukturen, Materialien oder Abläufe anzuwenden, wie es durch die Ansprüche ausgedrückt ist.The illustrated structures, materials, acts, and equivalents of all means and/or steps with associated functionality in the claims below are intended to employ any structure, materials, or acts as expressed by the claims.
Zusammenfassend bleibt festzustellen: Es wird ein Scheibenmotor vorgestellt, der in seiner Basisform aus einem Stator und einem Rotor besteht. Durch die gebogene Form der Elektromagnete, deren beide Pole jeweils auf Permanentmagnete des Rotors wirken, kann eine vergleichsweise hohe Drehmomentdichte und Leistungsfähigkeit bei geringen Kosten und einem einfachen Aufbau erzeugt werden.In summary, the following can be stated: A disc motor is presented, which in its basic form consists of a stator and a rotor. Due to the curved shape of the electromagnets, whose two poles each act on permanent magnets of the rotor, a comparatively high torque density and efficiency can be generated at low cost and with a simple structure.
Durch die Möglichkeit die Statoren und Rotoren jeweils doppelt auszulegen, ergeben sich die Möglichkeiten einen Scheibenmotor mit einem innen laufenden Rotor und einem außen laufenden Rotor elegant zu realisieren.The possibility of designing the stators and rotors twice opens up the possibility of elegantly realizing a disc motor with a rotor running on the inside and a rotor running on the outside.
BezugszeichenlisteReference List
- 100100
- Rotorrotor
- 102102
- Rotorringrotor ring
- 104104
- erste ringförmige Oberfläche des Rotorringsfirst annular surface of the rotor ring
- 106106
- zweite ringförmige Oberfläche des Rotorringssecond annular surface of the rotor ring
- 108108
- gedachte Drehachseimaginary axis of rotation
- 110110
- MittelpunktFocus
- 112112
- erste Mehrzahl von Permanentmagnetenfirst plurality of permanent magnets
- 114114
- Permanentmagnete mit abwechselnder Nord/Süd/Nord/Süd-AusrichtungPermanent magnets with alternating North/South/North/South orientation
- 116116
- Rohrabschnittpipe section
- 118118
- zweite Mehrzahl von Permanentmagnetensecond plurality of permanent magnets
- 120120
- Statorstator
- 122122
- erste ringförmige Oberfläche des Statorsfirst annular surface of the stator
- 124124
- äußere umlaufende Peripherie des Statorsouter circumferential periphery of the stator
- 126126
- Pol eines Elektromagneten der dritten MehrzahlPole of an electromagnet of the third plurality
- 128128
- anderer Pol des Elektromagneten der dritten Mehrzahlother pole of the electromagnet of the third plurality
- 200200
- perspektivischer Halbschnitt des Statorsperspective half section of the stator
- 202202
- gekrümmter Kern eines der Elektromagnete der dritten Mehrzahlcurved core of one of the electromagnets of the third plurality
- 204204
- gekrümmter Kerncurved core
- 206206
- Wicklungwinding
- 208208
- Durchbruchbreakthrough
- 300300
- zusammengesetzter Scheibenmotorcompound disc motor
- 302302
- elektrische Anschlüsseelectrical connections
- 304304
- innere Peripherie des Statorsinner periphery of the stator
- 400400
-
perspektivischer Halbschnitt durch den zusammengesetzten Scheibenmotor gem.
3 Perspective half section through the assembled disc motor acc.3 - 402402
- 1. Spalt1st column
- 404404
- 2. Spalt2nd column
- 500500
- Stator mit AbstandselementStator with spacer
- 502502
- Abstandsrohrabschnittspacer tube section
- 504504
- Bohrungdrilling
- 600600
- verbundene Statorenconnected stators
- 602602
- zweiter Statorsecond stator
- 604604
- Bohrungdrilling
- 700700
- erweiterter Rotor mit zweitem Rohrabschnittextended rotor with second tube section
- 702702
- zweiter Rohrabschnittsecond pipe section
- 800800
-
zusammengesetzten Scheibenmotor bestehend aus dem Doppelstator gem.
6 und dem erweiterten Rotor gemäß7 composite disk motor consisting of the double stator acc.6 and according to the extended rotor7 - 900900
- perspektivischer Halbschnitt durch Statorenperspective half section through stators
- 902902
- Mittelwand zwischen RotorscheibenCenter wall between rotor disks
- 10001000
- gekoppelter oder Doppelstatorcoupled or double stator
- 11001100
- Doppelstator mit einseitigem RotorDouble stator with single-sided rotor
- 12001200
- Scheibenmotor mit außen liegendem RotorDisc motor with external rotor
- 13001300
- Halbschnitt durch Scheibenmotor mit außen liegendem RotorHalf section through disc motor with external rotor
- 14001400
- Beispiel eines innen laufenden Rotors mit LuftschaufelnExample of an internal rotor with air blades
- 14021402
- Luftschaufelnair scoops
- 15001500
- Beispiel eines innen laufenden Rotors mit LuftschaufelnExample of an internal rotor with air blades
- 16001600
- Ausführungsbeispielexample
- 16021602
- Scheibenmotorendisc motors
- 16041604
- Erhöhungincrease
- 16081608
- Vertiefungdeepening
- 17001700
- Ausführungsbeispielexample
- 17021702
- Scheibenmotorendisc motors
- 17041704
- Felgerim
- 17061706
- Nabe der Felgehub of the rim
- 18001800
- Ausführungsbeispielexample
- 18021802
- Scheibenmotordisc motor
- 18041804
- Felgerim
- 18061806
- Befestigungselementfastener
- 18081808
- Bremssattelcaliper
- 18101810
- Bremsscheibebrake disc
- 19001900
- Ausführungsbeispielexample
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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2021
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